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Wi-Fi:无线传输的中坚力量

本文作者:徐俊毅       点击: 2023-05-31 11:40
前言:
在互联网出现之初,科技人员就已经在考虑组建无线局域网的事情。在上世纪90年代初期,IEEE(Institute of Electrical and Electronics)电气和电子工程师协会成立了802.11工作组,专门研究这项技术并制定相关标准,最早的Wi-Fi版本于1997年公布,名称为802.11-1997,设计传输速率为2Mbps。这个传输率在今天看来简直就是“龟速”,但在当年大部分人还在使用“高速”56kbps Modem接入互联网的时代已经是非常超前设计。只是从局域网的角度,当时的同轴电缆和局域网速已经普遍达到了10Mbps这一速度水平,无线局域网的设计速率明显不太有吸引力,因此,在2年后的802.11b,802.11a两个版本中,Wi-Fi传输速率大幅提升,值得注意的是,802.11a在那时就已经提出了使用5GHz频段的想法。但是由于技术条件所限和成本原因,并未真正广泛使用。

Wi-Fi 协议版本

发布年份

使用频段(GHz

信道带宽(MHz

最大数据传输速率

802.11-1997

1997

2.4

22

2 Mbps

802.11b

1999

2.4

22

11 Mbps

802.11a

1999

5

20

54 Mbps

802.11g

2003

2.4

20

54 Mbps

802.11n

(Wi-Fi 4)

2009

2.4/5

20/40

600 Mbps

802.11ac

(Wi-Fi 5)

2013

5

20/40/80/160

6.8 Gbps

802.11ax

(Wi-Fi 6)

2019

2.5/5

20/40/80/160

9.6 Gbps

802.11ax

(Wi-Fi 6E)

2020

2.5/5/6

20/40/80/160

9.6 Gbps

802.11be

(Wi-Fi 7)

预计2024发布

2.5/5/6

20/40/80/160/320

46.1 Gbps


Wi-Fi联盟也是在1999年成立,负责协调推广、认证Wi-Fi规范和相关技术。一大批顶级科技公司(Apple,Cisco,Dell,Intel,Texas Instruments、Qualcomm,Huawei等等),先后加入该联盟。

2003年,802.11g推出,在2.4GHz频段,将速率提升到54Mbps,为Wi-Fi普及打下了良好的基础。6年后,802.11n(WI-FI 4)出现,将理论传输速率提升到600Mbps,并再一次使用了5GHz频段,引入了MIMO、MCS、Beamforming等技术改善用户体验,Wi-Fi市场进入快速成长期。时至今日,802.11g和802.11n仍然在很多Wi-Fi设备的保留选项中,市场上仍然有大量802.11n的设备在使用。

2013年,802.11ac(Wi-Fi 5)版本公布,Wi-Fi首次进入了GHz时代,信道带宽提升到160MHz,并且有引入了MU-MIMO(Muti-User-MIMO)技术,让AP(Access Point)设备可以同时与多个设备通信,并能够复用信道带宽,让理论传输速率提升到6.8Gbps。2019年公布的802.11ax(Wi-Fi 6)引入了移动通信领域的OFDMA技术,升级MU-MIMO,可以大大降低传输时延和提升信道利用效率,使得这一规范下最大单流速率可以提升到9.6Gbps。也是目前中高阶Wi-Fi设备正在使用的通信协议。 
Wi-Fi 6 Logo 图片来源:wi-fi.org

2020年发布的Wi-Fi 6E,与Wi-Fi6唯一不同就是首次使用了6GHz频段,这样一来,借助更宽频谱资源,Wi-Fi 6E可以更加轻易的实现高传输速率,且避免干扰降低时延。

目前,已有超过660个Wi-Fi 6E 设备获得Wi-Fi Alliance®授予的Wi-Fi CERTIFIED ,如最新版本的苹果iPad Pro、Google Pixel 7以及7 Pro和三星Neo QLED 8K电视都已经支持Wi-Fi 6E协议,Wi-Fi 6E还将在未来的创新应用中发挥重要作用,包括扩展现实(XR),复杂的增强现实应用,甚至是全息协作解决方案。Wi-Fi 6E将成为这些应用能够提供最佳用户体验的关键因素。按照每一代Wi-Fi技术规范10年左右市场期,接下来的几年将进入Wi-Fi 6和Wi-Fi 6E的普及阶段。

那么接下来呢? 

Wi-Fi 7的脚步近了

WiFi 7(Wi-Fi 7)是下一代Wi-Fi标准,对应的是IEEE 802.11正在制定的IEEE 802.11be –极高吞吐量EHT(Extremely High Throughput ),目前能的进度是D1.0版。

Wi-Fi 7在Wi-Fi 6的基础上引入了320MHz信道带宽、4096-QAM、Multi-RU、多链路操作、增强MU-MIMO、多AP协作等技术,使得Wi-Fi 7相较于Wi-Fi 6将提供更高的数据传输速率和更低的时延。Wi-Fi 7预计能够支持高达46Gbps的传输率,4倍于Wi-Fi 6的速度。
 
Wi-Fi 7与 Wi-Fi 6 的差别 图片来源:huawei.com

320MHz信道带宽更加高效灵活:为了实现最大吞吐量接近50Gbps的目标,Wi-Fi 7不仅继续工作在6GHz频段,信道带宽的使用更加灵活,比如连续320MHz、240MHz,非连续160+80MHz,160+160MHz等等。

OFDMA加强--Multi-RU机制:在Wi-Fi 6中,每个用户只能在分配到的特定RU上发送或接收帧,大大限制了频谱资源调度的灵活性。为解决该问题,进一步提升频谱效率,Wi-Fi 7中定义了允许将多个RU分配给单用户的机制。当然,为了平衡实现的复杂度和频谱的利用率,协议中对RU的组合做了一定的限制,即:小规格RU(小于242-Tone的RU)只能与小规格RU合并,大规格RU(大于等于242-Tone的RU)只能与大规格RU合并,不允许小规格RU和大规格RU混合使用。

4096-QAM调制技术 提升单周期传输能力:Wi-Fi 6的调制方式是1024-QAM,其中调制符号承载10bits。为提升传输速率,Wi-Fi 7将引入4096-QAM,使得调制符号承载12bit。在相同的编码情况下,Wi-Fi 7的4096-QAM比Wi-Fi 6的1024-QAM可以获得20%的速率提升。

Multi-Link多链路机制:频谱资源有限的情况下,为实现所有可用频谱资源的高效利用,需要在2.4 GHz、5 GHz和6 GHz上建立新的频谱管理、协调和传输机制。802.11工作组定义了多链路聚合相关的技术,主要包括增强型多链路聚合的MAC架构、多链路信道接入和多链路传输等相关技术,可以最大限度的发挥频谱资源的效率。

MIMO加强到16x16:在Wi-Fi 7中,空间流的数从Wi-Fi 6的8个增加到16个,物理传输速率理论值可以提升两倍以上。

网络延伸能力加强,支持多AP间的协同调度:以往的各版本Wi-Fi协议,除了将AP(Access Point)改为中继设备等少数情况下,AP之间没有什么联系。Wi-Fi 7中的多AP间的协同调度,包括小区间的在时域和频域的协调规划,小区间的干扰协调,以及分布式MIMO,可以有效降低AP之间的干扰,极大的提升无线资源的利用率。

Wi-Fi 7将家用无线网络带入10Gbps水平,届时无线传输能力,将超越现有的家用光纤的传输能力,甚至超过了4G时代移动通信宏基站的吞吐能力,每一次无线传输性能的提升,都会开启很多新的应用,预计Wi-Fi7,能够在极高清视频、AR/VR、无线显示、远程医疗等更多等领域发挥巨大作用。

Wi-Fi承担用户最大流量

在过去的二十年中,随着全球数据流量呈指数级增长,Wi-Fi 已成为连接数十亿人和设备不可或缺的一部分。
 
Cisco发布全球数据流量趋势统计, 图片来源:wi-fi.org

统计显示,全球Wi-Fi 设备已经超过180 亿台。预计到 2024 年,Wi-Fi 设备每年的出货量将增加至近 40 亿。在许多地方,Wi-Fi 设备是消费者和企业用户连接到互联网、云服务和企业网络的主要手段。Wi-Fi 设备还支持一系列广泛且不断增长的物联网(IoT)和智能家居解决方案。

2030 年欧盟委员会的数字罗盘报告强调,千兆位连接对于实现广域宽带至关重要,而千兆位连接需要 Wi-Fi 功能来向用户提供 "最后一米"。Cisco在疫情前预测,到2022年,Wi-Fi设备的流量将会超过移动网络和消费者固定宽带网络流量之和。

2021 年 Wi-Fi 的全球经济价值为 3.3 万亿元,预计到2025年,Wi-Fi将为全球经济贡献近5万亿美元,而开放Wi-Fi全频段的国家也将看到更大的社会经济效益。

Qualcomm Technologies云端与网络部门的高级副总监兼总经理表示:“过去几年扩大了消费者对更快、更可靠的连接的长期需求——Wi-Fi 6E非常适合用来做包括企业在内的所有层次的解决方案。由于预见到了这一转变,我们已经能够帮助世界各地的客户在6GHz频段上提供Wi-Fi 6E,使智能手机、PC、增强现实设备、接入点和路由器等多种基础设施具有突破性的性能,最大限度地提高频谱使用率。”

Wi-Fi 物联网
Wi-Fi在物联网创新中发挥了基础性作用,Wi-Fi设备被广泛使用在包括智能家居、智能城市、汽车、医疗保健、企业、政府和工业物联网等领域。物联网系统通常通过移动设备进行控制,而Wi-Fi可以无缝控制智能手机、平板电脑以及目前已经在使用的180亿台Wi-Fi设备。
 
Wi-Fi在物联网应用中发挥重要作用 图片来源:wi-fi.org

Wi-Fi易于部署且性价比高,不需要单独的网关或专业技能来交付物联网应用。对于考虑到成本、可靠性和支持的物联网产品架构师来说,可最大限度地减少过早淘汰的风险,并确保传统设备能够轻松连接到家庭网络。

Wi-Fi Location 提供亚米级的位置信息,可以为工业和智能城市环境提供一系列位置感知的物联网服务,实现资产管理、网络管理和地理围栏等增强效益。

除了通过接入点的传统Wi-Fi连接外,Wi-Fi CERTIFIED EasyMesh,Wi-Fi CERTIFIED Wi-Fi Aware,和Wi-Fi CERTIFIED Wi-Fi Direct为不同的物联网环境提供各种网络拓扑结构,从而满足物联网网络和物联网应用需求的可扩展和可定制选项。与单纯的星形或网状拓扑结构相比,Wi-Fi为网络管理者提供了更灵活的物联网网络连接拓扑选择。

Wi-Fi的广泛组合解决了支持高吞吐量和低延迟应用(如AR/VR)的IoT用例,以及长期、低功耗的资产跟踪应用或农村灌溉系统。Wi-Fi正在帮助提高医疗保健环境中临床服务的灵活性和效率。未来5年,与IoT相关的医疗保健设备的交付量将增长15%。

WPA3进一步加强Wi-Fi 安全性

信息安全问题,是整个数字世界需要认真面对的课题。自从WPA2加密被破解之后,WPA3就承担起了安全防线的主要任务。

Wi-Fi CERTIFIED WPA3:WPA3是Wi-Fi技术中最先进的安全协议。WPA3在WPA2基础上,增加了新的功能,以简化Wi-Fi安全保障方法、实现更可靠的身份验证、为高度敏感的数据市场提高加密强度并保持关键任务型网络的弹性。所有WPA3网络都:采用最新的安全保障方法;禁止使用过时的传统协议;要求使用“受保护的管理帧(Protected Management Frames,简称PMF)。

由于不同Wi-Fi网络的用途和安全需求有所不同,所以WPA3专门为个人网络和企业级网络提供了额外功能。WPA3-Personal针对密码猜测企图增强了对用户的保护,而WPA3-Enterprise的用户现在则能够利用更高级的安全协议,保护敏感数据网络的安全。

同样,WPA3是Wi-Fi CERTIFIED™设备的强制认证项目。

在开放式的Wi-Fi环境中,Wi-Fi CERTIFIED Enhanced Open认证,在保留开放式网络使用便利这一特点的同时,降低了访问不安全的网络带来的某些风险。Wi-Fi Enhanced Open网络无需进行身份验证,就为用户提供数据加密,。这些保护对用户是透明的。

频谱资源可能会是绊脚石?

在Wi-Fi 6E首次使用6GHz频段之后,6GHz的频谱资源,就成关注的焦点,因为蜂窝网络的运营商同样需要这些频谱资源。6GHz频段包含7个160MHz信道、14个80MHz信道、29个40MHz信道、60个20MHz信道,总计110个信道,看上去资源丰富,但是面对海量数据的增长需求,却并不充裕。
 
Wi-Fi 使用频段 图片来源: wi-fi.org

尽管一些国家已经授权在整个 6GHz 频段接入 Wi-Fi,但是在很多地区6GHz 频段的使用问题依然模糊。
 
全球6G频谱资源分配情况,绿色为全部开放 灰色表示未开放 图片来源 wi-fi.org

北美地区将5925-7125MHz,共1200MHz信道带宽的频谱资源全部开放为非授权频谱。这将使得这些地区率先释放Wi-Fi 6E和未来Wi-Fi®一代的全部潜力。欧洲国家和地区采取了部分开放的方式,将5925-6425MHz,500MHz信道带宽开放给Wi-Fi 使用,亚洲地区的韩国已经全部开放,日本效法欧洲,最近刚允许使用6GHZ频段接入Wi-Fi 的国家包括巴林、肯尼亚和新西兰。

在中国,考虑到5G的未来发展需要6G频段的频谱资源,因此将频谱资源进行授权使用。因此Wi-Fi 6E的性能还无法让消费者体验到。

Wi-Fi联盟认为,用户需要体验更高级的 Wi-Fi,而提供所有 1200 MHz 频谱的国家和地区确保人们能够体验 Wi-Fi 6E 的全部优势。提供完整的1200MHZ频谱,而不是只开放频段较低的部分(500MHZ)给Wi-Fi使用,让人们有更多机会体验Wi-Fi 6E 整体优势,这些优势可能是新产品或者是大规模部署带来的。

最新的统计表明,有超过6成的移动通信流量借助Wi-Fi进行分流,比如在中国,尽管没有开放6G频段给Wi-Fi使用,但是Wi-Fi 6E已被广泛使用在5G网络中,为移动设备提供接入,以弥补5G基站的覆盖能力问题。

Wi-Fi 联盟在《6GHz Wi-Fi》一文中指出,Wi-Fi 的未来取决于对 6 GHz 频段的访问,蜂窝服务提供商声称,未来 5G/IMT 许可部署需要6 GHz(即 6.425 至 7.125 GHz)频段的上部,而忽略了以前指定用于5G/IMT 的大部分频谱仍然无法使用的事实。例如,“频谱指配是 5G 商用的重要前提条件,目前还没有完成:在绝大多数成
员国中,5G 协调频谱总量中仅指配了 56%。因此,蜂窝产业对 6 GHz 的要求是不合理的。

6GHz Wi-Fi 已经在许多国家带来了巨大的社会经济效益。随着 6GHz 产品生态系统的多样化和不断增长,Wi-Fi 完全符合市场需求和客户对宽带无线连接的偏好,而不会干扰 6GHz 现有的用户。在允许这种 Wi-Fi 操作的情况下,6GHz 频段的 Wi-Fi 操作会迅速并大幅提升该频段的价值。

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